Colectorul solar reprezintă un dispozitiv pentru transformarea energiei solare în energie termică. Acest utilaj este folosit pentru aprovizionare cu apă caldă, pentru încălzirea încăperilor, pentru încălzirea apei în piscine.
Colectorul tubular cu vid „all-season” este eficient pentru utilizare, anul împrejur, în orice regiune a Moldovei. Randamentul colectorului este de pînă la 98%. Este caracterizat printr-o productivitate înaltă, în condiţii de insolaţie redusă. Termoizolarea schimbătorului de căldură – 75 mm. Cadrul de aluminiu al colectorului asigură reducerea presiunii asupra construcţiilor portante ale acoperişului. Structura universală a cadrului este prevăzută pentru montarea colectorului pe orice tip de acoperiş: de la suprafeţe orizontale pînă la cele verticale.
Colectorul tubular cu vid de tip „all-season” este montat pe acoperiş, iar rezervorul de acumulare se va instala într-o încăpere comodă pentru amplasarea branşamentului reţelei de apă caldă (cazangerie, blocul sanitar etc.). Rezervorul şi colectorul sînt conectate cu ţevi, circularea este asigurată de heliostaţia complexă, în rezervor este posibilă montarea unui încălzitor electric (rezervorul monovalent) sau utilizarea conturului de încălzire de dublare (rezervorul bivalent) de la termogeneratorul existent, temperatura apei este controlată de controlerul electronic. Colectorul solar asigură captarea iradiaţiei solare pe orice vreme, indiferent de temperatura din exterior. Coeficientul de captare a energiei constituie pînă la 98 %. Montarea are loc direct pe acoperişul clădirilor, astfel, încît să fie asigurată cea mai eficientă modalitate de utilizare a suprafeţei acoperişului pentru colectarea energiei. Colectoarele se vor monta sub un unghi de 30-50°С.
Pentru asigurarea încălzirii, în sistem este folosit rezervorul-tampon, care reprezintă un sistem automatizat de transformare, menţinere şi păstrare a căldurii, obţinute din energia solară, precum şi din alte surse de energie (de exemplu, cazanul tradiţional, care funcţionează de la electricitate, gaze sau motorină), care menţin funcţionalitatea sistemului în caz de deficit de iradiere solară. Apa încălzită de la sursele de căldură accesibile este folosită în calitate de agent termic pentru sistemul de încălzire existent. Controlerul asigură menţinerea automată a parametrilor optimi ai circulaţiei, asigurînd temperatura agreabilă programată. În caz de lipsă a activităţii solare suficiente sau în perioada de noapte, sistemul de reglare automată al sistemului va asigura atragerea volumului minim necesar de energie suplimentară pentru menţinerea temperaturii programate în interiorul încăperii. Sistemul este caracterizat printr-un grad de inerţie redus, capacitate de includere rapidă în regimul de funcţionare şi asigură, în medie pe an, o economie de agent termic în proporţie de pînă la 70 la sută.
Colectorul Solar Tubular cu Vid cu tuburi termice-tije (tehnologia Heat Pipe).
Nu întîmplător am ales cest tip de colector solar. Alegerea este determinată de faptul că acesta este cel mai solicitat tip de colectoare solare. Vă amintim că colectoarele solare plane au fost elaborate şi funcţionează eficient în ţările cu o climă caldă – statele din Sud-Vestul Europei, Asia etc.
Colectoarele tubulare cu vid au fost elaborate pentru a fi exploatate în regiunile cu o climă moderată şi rece, cu alte cuvinte sînt cele mai potrivite pentru Moldova. Mulţi producători elaborează şi produc colectoare solare în baza tuburilor vidate.
Colectorul solar cu vid acumulează energia solară – iradiaţia solară din spectrul vizibil şi invizibil pentru ochiul uman, transformînd-o în energie termică. În acest context vom menţiona că gradul de eficienţă a funcţionării colectorului solar depinde de intensitatea iradiaţiei solare, şi nu de temperatura mediului, aceasta din urmă avîndu-şi efectul pronunţat doar în cazul unor valori negative semnificative. Astfel, colectorul solar cu vid cu tuburi termice este eficient la temperaturi de pînă la -350С şi este capabil să transforme în căldură pînă la 98 la sută din iradiaţia solară care-i atinge suprafaţa. Temperatura agentului termic al colectorului cu vid, în regim de limitare a captării căldurii, poate constituie 250-300°C .
Vom urmări principiul de funcţionare al colectorului solar, începînd cu funcţionarea tubului vidat.
Tubul vidat
Caracteristicile de bază:
Învelişul special selectiv în trei straturi al tuburilor – pentru creşterea eficienţei colectării căldurii şi minimizarea pierderilor de căldură. Stratul din cupru special concentrează energia infraroşie în interiorul tubului.
Primul strat: Compusul special din cupru pentru concentrarea iradiaţiei infraroşii
Al doilea strat: Inox ionizat, orientată astfel încît să absoarbă pînă la 98 la sută din admisia de iradiaţie solară
Al treilea strat: Nitrura de aluminiu – un strat transparent cu un indice de reflectare foarte redus pentru trecerea iradiaţiei solare aferente
Peretele de sticlă al tubului cu grosimea de pina la 2.5 mm, este confecţionat din sticlă borosilicată pentru un plus de durabilitate, poate riposta la grindină cu diametrul de pînă la 35 mm.
Colectoarele solare moderne de uz menajer au capacitatea de a încălzi apa practic pînă la temperatura de fierbere chiar şi în caz de temperaturi negative ale aerului atmosferic.
Funcţia: Transformare a iradiaţiei solare în căldură
Tubul vidat al colectorului solar din sticlă borosilicată cu conţinut redus de metale. El este rezistent la şocuri şi poate riposta grindinei de pînă la 35mm. Pereţii tubului sînt dubli, de fapt un tub se află în interiorul altui tub, iar între ele este vid. Vidul dintre pereţii tubului este creat în cadrul procesului de producere a tubului. Datorită vidului dintre tuburi, pierderile de căldură sînt minime, deoarece vidul este cel mai eficient termoizolator. Acest moment face colectorul tubular cu 45% mai eficient în raport cu colectorul plan. Suprafaţa tubului interior este asigurată cu un înveliş special, foarte sensibil la întreg spectrul de iradiaţie solară. Tuburile moderne au un strat pulverizat triplu, fiecare strat avîndu-şi funcţia proprie, după cum este indicat în imagine.
La simplu vorbind, straturile poartă răspundere pentru captarea energiei, transformarea acesteia în căldură, minimizarea reflectării. În afară de aceasta, tubul din sticlă, cu strat superior special, în esenţa sa, reprezintă un analog de lupă, care intensifică/concentrează iradiaţia ce pătrunde în interiorul tubului.
Iradiaţia din razele vizibile şi cele invizibile pentru ochiul uman este concentrată pe miezul de cupru vid, amplasat în interiorul acestor tuburi şi umplut cu lichid care atinge uşor condiţia de fierbere. Iradiaţia solară concentrată ca prin lentilă, acţionînd asupra miezului din cupru, îl încălzeşte, lichidul din interiorul miezului începe să fiarbă, astfel crescînd şi mai mult temperatura miezului încălzit de razele concentrate. Începînd să fiarbă, lichidul special se transformă în vapori, temperatura cărora este mai mare decît a fost temperatura lichidului supraîncălzit. Vaporii degajează căldură şi se condensează, transformîndu-se în lichid, în compartimentul superior al tubului de cupru.
Studiind atent imaginea fotografică, putem observa că segmentul miezului de cupru, care iese din tub, este mai gros decît miezul din interiorul tubului. Acest segment mai lat este condensatorul, în care vaporii lichidului cu temperatură joasă de fierbere iarăşi se transformă în lichid. Acest lichid-condensat se scurge în miezul de cupru, procesul fiind reluat. Astfel are loc transformarea energiei solare în energie termică..
Tuburile din colectoarele solare moderne sînt echipate cu un ecran termic din aluminiu, care ţine tija termică şi efectuează rolul de transportator de căldură de la pereţii interiori ai tubului spre tija termică din cupru.
Absorbitorul de căldură al colectorului solar.
Funcţia: Transmiterea căldurii de la tubul vidat al colectorului spre agentul termic.
Prin intermediul absorbitorului de căldură, montat în partea superioară a colectorului, miezul din cupru cedează căldura spre agentul termic, care circulă în conturul colectorul cu vid – schimbătorul de căldură al rezervorului. Pentru mişcarea agentului termic este responsabilă pompa rotativă. Astfel, în cazul în care controlerul, ce obţine informaţii de la detectorii de temperatură, va „observa” că temperatura agentului termic a atins nivelul de asigurare a încălzirii apei în rezervor, el va lansa comanda şi va opri funcţionarea pompei rotative, prevenind pierderea de căldură şi nu va permite apei calde să încălzească agentul termic. Acest lucru are loc, cu preponderenţă, noaptea, în cazul unor temperaturi joase ale aerului atmosferic. În cazul unei temperaturi insuficiente a agentului termic, pentru încălzirea apei controlerul poate include aparatul de încălzire electrică cu ţevi sau să includă circularea agentului termic prin al doilea schimbător de căldură
de la sistemul de încălzire alternativ de la cazanul de gaze. Dimineaţa, agentul termic al conturului colectorului solar se va încălzi din nou de la lumina dimineţii, transformată de către colector în căldură, iar pompa rotativă se va include din nou pentru a efectua procesul de transportare a agentului termic de la colector spre schimbătorul de căldură din rezervor.
Controlerul colectorului solar.
Controlerul colectorului solar efectuează controlul inteligent şi asigură funcţionarea automată a sistemului.
(extras din documentaţia pentru controlerul de comandă al sistemului de aprovizionare cu apă caldă şi încălzire cu colector solar):
- Ceas, timer
- Indicarea temperaturii apei
- Indicatorul nivelului apei
- Regimul automat de comandă al procesului de funcţionare al sistemului
- Captarea forţată de apă, prin comandă de pe panoul de comandă al controlerului
- Captarea apei după timpul programat (timer)
- Autocaptarea apei pînă la nivelul programat
- Creşterea presiunii hidraulice în sistem, în timpul captării apei
- Includerea forţată a încălzirii electrice
- Includerea programată a încălzirii (timer)
- Includerea circulaţiei apei calde
- Deconectarea – blocarea liniei apei calde
- Protecţie împotriva presiunii insuficiente a apei la intrare
- Protecţia tuburilor colectorului solar împotriva supraîncălzirii
- Protejarea informaţiei în caz de deranjamente în alimentarea cu curent electric
După cum vedem din descrierea funcţiilor controlerului, există posibilitatea de reglare optimală a sistemului pentru exploatare în condiţii diferite, precum şi comanda flexibilă a sistemului, în timpul exploatării.
De exemplu, în scopul economiei de energie electrică, ştiind că nu va fi un consum semnificativ de apă caldă, controlerul poate fi programat pentru a nu include încălzirea apei de la aparatul de încălzire electrică cu ţevi, pe timp de noapte. Sau, dimpotrivă, ştiind că va avea loc un consum semnificativ de apă caldă, controlerul poate fi programat pentru menţinerea unui volum maximal de apă în rezervor şi includerea încălzirii electrice pentru obţinerea cît mai rapidă a apei calde fără a aştepta încălzirea apei prin intermediul colectorului.
Avantajele colectoarelor solare cu vid
Colectoarele cu tuburi vidate
1. Colectoarele solare cu vid practic nu înregistrează pierderi de căldură, deoarece în interiorul tuburilor vidate există un vid 5×10-3 Pa. De aceea temperatura mediului ambiant exercită influenţă asupra capacităţii colectorului cu vid doar într-o măsură foarte nesemnificativă. Din această cauză, tubul vidat nu se încălzeşte chiar şi atunci cînd agentul termic din conturul colectorului solar se încălzeşte pînă la 150°С. În cazul colectoarelor plane, în interiorul colectorului se află nu vidul, ci termoizolarea sau aerul, care nu dispun de caracteristicile pe care le are vidul. Iată de ce, în cazul unor temperaturi joase, colectorul plan trebuie, pentru început, să se încălzească pe sine însuşi, pentru ca mai apoi să poată transmite căldura spre lichidul ce transportă căldura, în sistemul de încălzire de la soare. Datorită aplicării acestei tehnologii, colectoarele solare cu vid sînt scutite de pierderi pentru convecţie şi termoconductibilitate. În rezultat, pierderile de căldură ale colectorului sînt reduse la minimum. Minimizînd pierderile de căldură, colectoarele solare cu vid sînt capabile să asigure un randament bun chiar şi în condiţiile unei iluminări insuficiente şi la temperatura aerului atmosferic sub 0°С.
2. Colectorul cu tuburi funcţionează în condiţiile unei iluminări difuze, inclusiv în perioada de iarnă şi pe vreme posomorîtă, deoarece este capabil să absoarbă iradiaţia difuzibilă datorită suprafeţei sale de absorbţie „high-selective”.
3. Avînd o arie egală a suprafeţei de captare, colectorul cu vid va avea o capacitate de aproape două ori mai mare ca cea a colectorului plan, deoarece este în stare să absoarbă iradiaţia completă chiar şi de pe suprafaţa posterioară a tubului vidat. Acest efect poate fi intensificat, amplasînd în partea posterioară a colectorului o suprafaţă reflectorizantă. Reflectarea de pe suprafaţa stratului de zăpadă, la fel, va spori producerea de căldură prin intermediul colectorului cu vid.
4. Datorită capacităţii înalte a colectorului, se poate obţine o economie de 70 la sută din energia electrică, necesară pentru încălzirea apei tehnologice.
5. Tuburile vidate sînt caracterizate printr-un grad înalt de rezistenţă împotriva deteriorărilor mecanice, deoarece sînt produse din sticlă borosilicată rigidizată, avînd grosimea peretelui de 2,5 mm.
6. Tuburile vidate sînt caracterizate printr-un grad înalt de rezistenţă împotriva impurificărilor din exterior, datorită formei cilindrice şi distanţei dintre ele – astfel zăpada, frunzele, ramurile de copaci, praful etc. trec printre tuburi, sub colector, astfel colectorul are posibilitatea de a funcţiona cu maximum de eficacitate, fără necesitatea de îngrijire tehnică.
7. Colectorul vidat are un coeficient de planare (rezistenţă de vînt) mai mic, deoarece tuburile vidate sînt distanţate între ele, ceea ce asigură circulaţia vîntului între ele. Colectorul plan, dimpotrivă, trebuie să reziste la vînt cu toată suprafaţa sa. Din acest considerent, durabilitatea structurii colectorului plan trebuie să fie mult mai înaltă decît cea a colectorului cu vid.
8. Colectorul cu vid cu tuburi termice se va monta foarte uşor. Conectarea tuburilor se va efectua pe uscat, fără contact direct cu lichidul de lucru al conturului solar, în rezultat se va obţine conectarea trainică a tuburilor, astfel fiind asigurată posibilitatea de înlocuire a tuburilor separate în timpul exploatării sub presiune. În cazul avarierii colectorului plan, pentru început, se va recurge la deconectarea întregului sistem şi doar după aceasta – la lucrările de reparaţie sau înlocuire.
Colectorul plan reflectează un volum de căldură considerabil în mediul ambiant.
9. În cazul deteriorării a unuia dintre tuburile vidate, acesta va putea fi înlocuit în mod operativ, fără reinstalarea întregului sistem.